Из чего это сделано? Удивительные материалы, из которых построена современная цивилизация

Взгляните на темно-серый, с металлическим отливом, карандашный грифель. Тысячелетиями этот материал ошибочно принимали за разновидность свинца и называли плюмбаго, или черным свинцом. Путаница была вполне понятной, поскольку и графит, и свинец – это мягкие металлы (впрочем, графит сегодня считается полуметаллом). Рудники плюмбаго приобретали все большую ценность по мере того, как графиту находили новые сферы применения. Оказалось, например, что из него выходят отличные пушечные ядра и мушкетные пули. В XVII–XVIII веках в Англии материал так сильно вырос в цене, что воры приноровились рыть тайные ходы в рудники или же нанимались рабочими и скрытно выносили плюмбаго под одеждой. Дороговизна подстегивала этот промысел, пока в 1752 году парламент не принял закон, объявлявший кражу графита из рудников тяжким уголовным преступлением, наказуемым годом каторжных работ или семилетней ссылкой в Австралию. К 1800 году добыча графита стала настолько прибыльным предприятием, что повсюду у ворот рудников стояла вооруженная охрана.

Причина того, что у графита, в отличие от алмаза, металлическая природа, кроется все в той же шестиугольной атомной структуре. Как мы уже знаем, в структуре алмаза все четыре электрона каждого атома углерода связаны с такими же электронами других атомов. Таким образом, все атомы пространственной решетки крепко взаимосвязаны, и «свободных» электронов нет. Вот почему алмазы не проводят электричество, ведь в их структуре отсутствуют электроны, которые могли бы свободно перемещаться, производя электрический ток. В то же время в структуре графита внешние электроны не просто связаны с парными электронами соседнего атома, скорее они образуют море электронов внутри материала. Одним из последствий этого является электропроводность графита – ведь электроны в нем могут перемещаться подобно жидкости. Нить накаливания в электрических лампочках Эдисона была из графита: за счет высокой температуры плавления он под действием тока раскаляется добела, но не плавится, излучая сильный свет. И кроме того, бесчисленные электроны служат чем-то вроде электромагнитного батута для света – именно отраженный свет придает графиту свойственный металлам блеск. Впрочем, команда Андрея Гейма получила Нобелевскую премию не за это лаконичное объяснение металлических свойств графита, это было для нее лишь отправной точкой.

Углерод – основа жизни на Земле, любой ее формы, и хотя различные углеродные соединения на первый взгляд совсем не похожи на графит, им легко придать шестиугольную структуру путем сжигания. При сильном нагреве дерево превращается в уголь, кусок хлеба – в сгоревший тост; да и мы сами почернеем и обуглимся, если подвергнуть нас воздействию пламени. Ни один из этих процессов не приводит к образованию чистого блестящего графита, поскольку шестиугольные слои углерода перемешаны, а не плотно уложены в аккуратном порядке. Тем не менее существует огромное разнообразие черных сажистых материалов с общим свойством: все они содержат углерод в его наиболее стабильной форме – в форме шестиугольных слоев. Каменный уголь, очередная разновидность черного сажистого углерода, стал широко применяться в XIX веке. Шестиугольные пласты атомов в угле образуются не за счет нагрева, как в случае с подгоревшим тостом, но вследствие геологических процессов, миллионы лет воздействовавших на останки растительных организмов. Первоначально уголь – это форма торфа, которая под воздействием высокой температуры и давления трансформируется в лигнит (бурый уголь), потом в битуминозный уголь, в антрацит и, наконец, в графит. В процессе этих трансформаций уголь теряет летучие соединения азота, серы и кислорода, присутствующие в первоначальном растительном материале, постепенно превращаясь в почти чистый углерод. По мере формирования гексагональных слоев материал приобретает все более выраженный металлический блеск, особенно заметный на зеркальных черных гранях некоторых углей, например антрацита. Однако уголь редко является чистой формой углерода. Вот почему при горении он довольно неприятно пахнет.